| Аннотация |
Актуальность разработки новых полимерных связующих для литий-ионных аккумуляторов с кремнийсодержащими анодами, а также технологии их производства обусловлена необходимостью внедрения в практику новых накопителей энергии с более высокими удельными характеристиками, прежде всего емкостью, для повышения пробега электротранспорта, автономности робототехники и космических аппаратов. Кремнийсодержащие аноды в этом ключе весьма перспективны, так как кремний обладает более чем в 10 раз большей теоретической удельной емкостью по сравнению с использующимся сейчас в большинстве изделий искусственным графитом. Представленные на сегодняшний день на рынке наиболее емкие композитные кремний-графитовые материалы имеют емкость порядка 2000 мАч/г что существенно превосходит емкость графита – 360 мАч/г. Применение таких композитов позволяет повысить удельную энергию ЛИА с современных 270 Втч/кг до 320-350 Втч/кг и более. Важно подчеркнуть, что такое увеличение энергоемкости аккумуляторов достижимо без существенного изменения технологии производства и может быть быстро освоено промышленностью. Тем не менее, применение кремния и кремнийсодержащих композитных материалов в анодах ЛИА на сегодняшний день затруднено из-за быстрой деградации материала в ходе циклов заряда-разряда, вызванной большим относительным линейным расширением кремния на стадии литирования – порядка 400%. Разрабатываемые в рамках данного проекта новые специализированные полимерные связующие для кремнийсодержащих анодов критически важны для стабилизации емкостных характеристик ЛИА на их основе в ходе многочисленных циклов заряд-разряд. Современные научные представления о способах подавления деградации кремнийсодержащих анодов ЛИА указывают на необходимость комплексного подхода к решению данной технической и технологической задачи, включающего в себя помимо самого полимерного связующего и его наполнителей и подбор компонентов электролита, и функционализацию токосъемной подложки, и корректировку режимов формирования аккумулятора при первом цикле заряда- разряда. В то же самое время, именно полимерному связующему отводится наиболее важная роль в стабилизации и продлении циклического ресурса кремнийсодержащего анода. Так, связующее должно обеспечить с одной стороны механическое блокирование линейного расширения кремниевой фазы на стадии литирования, с другой стороны, обеспечивать эластичность анодной массы. Среди других требований – обеспечение хорошей адгезии к токосъемной подложке, когезии анодной массы, устойчивость к действию компонентов электролита, термическая стабильность. Выполнение этих требований, согласно анализу имеющейся научной литературы и сведений от производителей коммерчески доступных полимерных связующих для кремниевых анодов, подразумевает придание полимерной матрице трехмерной каркасной структуры с наличие большого количества разветвленных цепей и функциональных групп. Наиболее часто в этой связи обсуждаются водорастворимые полимерные системы с применением длинноцепочечных и разветвленных полиакрилатных сополимеров. Большое внимание уделяется системам на основе полиэтиленгликоля и полиакриламида. Классическая система на основе стирол-бутадиенового каучука и карбоксиметилцеллюлозы также, по мнению исследователей и производителей, имеет перспективы. Обсуждаются также системы на основе полиуретанов. В этом ключе большое значение приобретают наполнители полимерных матриц – углеродные нанотрубки, графеновые фрагменты – способные усилить армирующих эффект трехмерной полимерной матрицы, одновременно улучшая её электро- и ионпроводящие свойства.
В рамках проекта предполагается провести широкий поиск рамках всех данных подходов с применением технологий прививки функциональных групп, созданием сшитых полимерных матриц и т.д. На более поздних этапах реализации проекта будут отобраны наиболее перспективные подходы и системы, после чего будет проведена экстенсивная исследовательская работа по их оптимизации с точки зрения длины и разветвленности полимерных цепочек, типов и концентрации функциональных групп, соотношения сополимерных компонентов в массе, а также наполнителей, разработке методики полимеризации и пост-полимеризационной обработки с последующей разработкой лабораторной технологии производства полимерного связующего, его применения в составе анодной массы в зависимости от содержания кремния, типа и морфологии кремниевой фазы в активном материале. Завершится проект демонстрацией прототипов ЛИА – нескольких серий экспериментальных образцов, обладающих сочетанием высокой удельной энергии и большого циклического ресурса, а также необходимыми для практического применения мощностными характеристиками.
Успешное выполнение проекта позволит в короткие сроки освоить производство ЛИА в Российской федерации с характеристиками, не уступающими лучшим зарубежным моделям аккумуляторов с применением частично импортозамещенных компонентов. Это, в свою очередь, станет дополнительным импульсом для развития суверенных технологий в области электротранспорта, робототехники и беспилотных авиационных систем, что согласуется с приоритетами национальных проектов технологического лидерства «Новые материалы и химия», «Транспортная мобильность», «Беспилотные авиационные системы». Конкретно, выполнение проекта позволит создать задел для развития технологии материалов для ЛИА, обеспечивающих большую дальность автономного хода электротранспорта, дальность полета или радиус действия БПЛА различного типа и назначения.
|
